采空區頂板見方垮落的覆巖空間結構特征及形成條件＊

2014-03-15 11:20:08王書文

中國煤炭 2014年10期

王書文焦彪

（1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京市朝陽區，100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；3.陜西彬長胡家河礦業有限公司生產工程部，陜西省咸陽市，713602）

工作面采空區見方垮落一般是指當工作面的推進距離和采空區寬度大致相等時，采空區上覆巖層的初次整體垮落。較為典型的見方垮落現象曾在大同礦區多個工作面集中出現，所涉及工作面老頂多為厚度12～30m 的堅硬砂（礫）巖，工作面寬度90～150m，當采空區老頂懸露接近正方形時，老頂初次斷裂、垮落，礦壓顯現劇烈。但近年來隨著回采工作面寬度的加大，該礦區見方垮落現象極少出現。在少數其它礦區工作面的采空區見方期間曾出現顯著礦壓異常，并被認為是頂板見方垮落所致。

通常認為，見方垮落時頂板運動劇烈，易導致采掘巷道礦壓顯現異常，甚至誘發動力災害。因此，對沖擊地壓工作面進行沖擊危險區域劃分時，往往將見方區域劃定為潛在危險區。但調研表明，大量工作面在見方期間未出現礦壓顯著異常，而對于那些滿足見方條件的異常現象，鮮有從實測的角度證實其確為某巖層見方垮落所致。

針對工作面采空區見方垮落及其引起的一系列礦壓異常現象，有文獻認為當工作面推進到工作面寬度時，裂隙拱拱高將不再持續增加，采場周圍內外應力場范圍分別達到最大。還有文獻給出了基于薄板模型計算出的四邊固支條件下采空區頂板見方垮落所必須滿足的力學條件。但未應用于工作面回采過程中見方垮落條件判別。

綜上所述，見方垮落僅在少數礦區或少數工作面出現過，這表明該現象的發生必須滿足較為苛刻的條件。然而，這一特殊現象所衍生的見方理論卻被廣泛用于沖擊地壓危險區域的初步劃分及異常礦壓現象解釋，這顯然放大了其適用范圍。本文在前人研究成果的基礎上，結合覆巖空間結構理論及薄板結構模型，對見方垮落的類型、空間特征、形成條件進行了初步探討，并應用于工作面回采過程中見方垮落判別，以期增進對這一苛刻條件下特殊礦壓現象的認識。

1 見方垮落覆巖空間結構特征

1.1 橫向特征

錢鳴高等利用薄板理論及物理模擬對頂板破斷形式進行研究，依據初次來壓時工作面寬度b與推進距離a 的相對大小關系，將頂板斷裂形式分為橫O-X （b＞a）破斷、正O-X （b=a）破斷、豎O-X（b＜a）破斷，如圖1所示。

采空區四周頂板裂縫貫通而呈 “O”形后，板中央的彎矩又將達到最大值。對于見方期間的頂板而言，巖層在采空區中心的彎矩分量同時達到最大值，易出現中點突破，且破斷后的正O-X 拱需要4塊扇形薄板相互咬合以維持平衡，穩定性較差，因此，極易造成巖層的失穩垮落現象。

圖1 頂板 “O-X”破斷的3種形式

見方垮落覆巖結構剖面示意圖見圖2。若單個工作面采空區尺寸初次滿足見方要求，且僅有該見方采空區范圍內的頂板巖層（組）發生整體O-X破斷，則稱之為單工作面見方垮落，如圖2 （a）所示。

同理，若多個工作面采空區連同隔離煤柱的整體尺寸初次滿足見方要求，且僅有該見方采空區范圍內的頂板巖層（組）發生整體O-X 破斷，則稱之為多工作面見方垮落。根據所涉及工作面數量的不同，可為雙工作面見方如圖2 （b）所示、三工作面見方如圖2 （c）所示。

可見，見方垮落時頂板巖層懸露面積較大且同時垮落，將對周邊產生強烈動載影響，引起應力場的劇烈變化，往往成為沖擊地壓的重要誘發因素。

1.2 縱向特征

由巖層控制的關鍵層理論可知，在達到充分采動之前，隨著采空區尺寸（長度和寬度）的增加，采空區上覆巖層將由下往上逐層（組）運動，起到控制作用的被稱為關鍵層，關鍵層的破斷將導致全部或局部上覆巖層的同步破斷。顯然，見方垮落是特殊尺寸條件下某一關鍵層的初次整體運動，其控制的上覆軟弱巖層將同步運動，該關鍵層可能是低位老頂或上部覆巖中的某一堅硬巖層。見方垮落時的采空區尺寸越大，表明堅硬巖層懸露面積越大，穩定性越好。

以圖2所示模型說明不同類型見方垮落覆巖結構特征，該模型覆巖包括3層亞關鍵層和1層主關鍵層，共經歷3種不同形式的見方垮落。

首采工作面回采期間，將依次出現直接頂初次垮落、老頂初次垮落、老頂周期垮落等現象。只有老頂初次垮落發生在采空區見方時，才可能出現老頂整體運動的見方垮落。大同礦區早期的見方垮落現象則是其堅硬砂（礫）巖老頂整體初次破斷引起的。

圖2 見方垮落覆巖結構剖面示意圖

現場實測表明，多數回采工作面采空區低位老頂在見方之前就已完成初次垮落。隨著高產高效工作面寬度的加大，工作面寬度與初次來壓步距的比值往往達到10倍以上，當采空區尺寸見方時，低位老頂已發生初次來壓和多個周期來壓，如圖2（d）所示。因此，工作面低位老頂的見方垮落一般難以出現。

隨著低位老頂的周圍性垮落，其上部的第2亞關鍵層懸露面積逐漸增大，若該堅硬巖層在懸露尺寸滿足見方時發生整體正O-X 破斷，則可稱之為第2亞關鍵層的單工作面見方垮落。隨著工作面繼續推進，低位老頂和第2亞關鍵層均將發生周期性破斷，由于其斷裂步距的差異性，工作面周期來壓步距和強度將表現出一大一小的周期性變化現象。

若單個工作面尺寸較小或覆巖中含有難垮厚硬關鍵層，單工作面回采完畢后，部分關鍵層或仍處于懸而未斷的狀態。鄰近的第2工作面初采期間低位老頂、第2 亞關鍵層運動規律與首采工作面類似，其差異性主要取決于工作面邊界條件的改變情況。若區段煤柱寬度（z12）較小，不足以阻止煤柱兩側采空區上懸露的第3亞關鍵層產生聯動，當第2工作面推進距離a2與兩個工作面采空區總寬度（含煤柱寬）b1+z12+b2相等時，第3亞關鍵層發生初次整體正O-X 破斷，則可稱之為第3亞關鍵層的雙工作面見方垮落，如圖2 （e）所示。

同理，若第3工作面推進距離a3與3個工作面采空區總寬度（含窄煤柱寬度）b1+z12+b2+z23+b3相等時，主關鍵層發生初次整體正O-X 破斷，則可稱之為主關鍵層的三工作面見方垮落，如圖2 （f）所示。

需要說明的是現實中，圖2示意模型中的3種見方垮落形式同時出現的概率是極微小的，即使出現其中的一種，也需要滿足苛刻的形成條件。

2 見方垮落形成條件

2.1 基本結構條件

2.1.1 巖層的完整性

見方垮落是特殊條件下某堅硬巖層的初次整體垮落，顯然，這將要求該堅硬巖層必須具備較好的完整性，否則完整性差的區域或將先于其它區域破斷、垮落，無法滿足整體性垮落這一要求。實際上，由于經歷復雜的地質構造運動，巖層內部一般存在著微裂紋、節理、斷層等不同程度的缺陷。這些缺陷使得不同區域的巖層在完整性、穩定性等方面存在差異，在其破斷過程中，這些缺陷顯著影響斷裂線的發育路徑，最終影響巖層破斷形式及工作面來壓特征。工作面礦壓監測也表明，一般很難出現整個工作面整體來壓的情況，更多表現為分區、分段來壓，尤其在長度大于200m 的工作面。

2.1.2 采空區間隔離煤柱

相鄰工作面采空區覆巖能否產生聯動，主要取決于兩者之間煤柱的隔離作用。由于覆巖的斷裂線位于煤壁內側，若工作面間煤柱寬度較小，如3～6m 窄煤柱，兩相鄰采空區覆巖斷裂線將會相連。若采空區間煤柱發生（局部）屈服破壞，對頂板支撐作用全部或部分喪失，其隔離效果將更差，工作面間覆巖將聯動，形成相互作用的空間結構，如圖2 （e）、圖2 （f）所示。反之，若寬度足夠大，且兩側采空區后能保持穩定，則能夠有效地隔離采空區覆巖裂隙的聯系，此時在工作面寬度不增加的情況下，覆巖運動的最大高度將與采空區數量無關。顯然，在寬煤柱隔離條件下，將不會出現多工作面見方垮落現象，而窄煤柱或無煤柱隔離是該現象產生的必要條件。

2.2 巖層見方垮落力學解析

2.2.1 見方尺寸的確定

根據相關文獻，四周固支條件下堅硬巖層初次破斷步距a1計算式：

式中：a1——初次破斷步距，m；

b——工作面寬度，m；

lm——硬巖層的步距準數，m；

h——堅硬巖層的厚度，m；

σs——堅硬巖層的抗拉強度，MPa；

μ——硬巖層的泊松比，取0.2；

q——堅硬巖層自重及其上載荷，Pa。

一邊簡支、三邊固支的斷裂步距a2計算公式：

鄰邊簡支、鄰邊固支的斷裂步距a3計算公式：

三邊簡支、一邊固支斷裂步距a4計算公式：

根據以上公式，作出工作面寬度b與硬巖層初次斷裂步距a 關系曲線，如圖3所示。

結果表明在頂板性質一定的情況下，無論開采邊界條件如何變化，斷裂步距總是隨工作面寬度增減而在一條近似 “w”形曲線上變化。圖3中見方輔助線（a=b）與各曲線的交點即為各邊界條件下的堅硬巖層見方垮落條件。由圖3可知：

（1）相同頂板條件下（相同步距準數lm），邊界條件中簡支邊數量越多，斷裂步距就越小。

圖3 工作面寬度與堅硬巖層初次斷裂步距關系

（2）采空區頂板見方垮落條件極為苛刻，頂板條件、采空區邊界條件、工作面寬度、工作面推進距離必須滿足唯一的對應關系。

（3）近似計算表明見方垮落時，工作面寬度b、推進距離a及頂板步距準數lm需滿足必要尺寸條件：四周固支條件下a=b=1.414lm；一邊簡支、三邊固支條件下a=b=1.225lm；鄰邊簡支、鄰邊固支條件下a=b=1.154lm；三邊簡支、一邊固支條件下a=b=0.966lm。

（4）若首采工作面（四邊固支邊界）某堅硬巖層出現見方垮落，那么，鄰近同等長度的第2工作面（一邊簡支、三邊固支邊界）內的該巖層將不會出現見方垮落，且其該頂板初次垮落步距將小于工作面寬度。

（5）若某工作面堅硬巖層的初次垮落為見方垮落，那么該巖層周期來壓期間將不會再次出現見方垮落現象。這是因為與初次來壓相比，周期來壓前懸露頂板的后方邊界條件由簡支或固支變為自由邊，其斷裂步距必然會減小。

2.2.2 見方巖層強度特征

式（2）中的堅硬巖層自重及其上載荷q 一般通過組合梁原理計算得出，為便于分析，將q等效為：

式中：γ——堅硬巖層容重，取0.025 MN·m-3；

kn——倍數，計算到第n+1 層對第1 層堅硬巖層形成的載荷。只考慮堅硬巖層自重時，kn=1。

將式（6）代入式（2）得：

根據圖3中不同邊界條件下堅硬巖層見方垮落的尺寸條件，并結合式（7），可得見方垮落發生時工作面寬度b與堅硬巖層厚度h 及抗拉強度σs的關系，kn=1時的關系曲線如圖4所示。

可見，隨著工作面寬度的增大，見方垮落的巖層必須更加厚硬。當工作面寬度大于120 m 時，巖層所需的厚硬程度增速加大。假設某硬巖層抗拉強度為8MPa，當工作面寬度為200m 時，該巖層在三邊固支、一邊簡支邊界條件下發生見方垮落必須滿足的厚度條件約為h=40m。可見，寬度越大的工作面越難以出現見方垮落現象。

以大同礦區四老溝礦2＃煤層8207 工作面為例，該邊界條件為三邊固支、一邊簡支，工作面寬度150 m，其實際老頂初次來壓步距為159.7 m，屬于典型的老頂見方垮落。該砂礫巖老頂抗拉強度約為4MPa，根據圖4可得其必須滿足的厚度條件約為46.75m，而實際該工作面老頂厚度為45m。

圖4 見方垮落時工作面寬度與巖層厚度及抗拉強度關系

3 沖擊地壓礦井見方垮落判別應用

利用上述研究結論對華豐煤礦1410回采工作面見方垮落條件進行判別及驗證，圖5為1410工作面及鄰近已采空工作面布置情況，由于部分工作面巷道布置并不規則，為便于分析將其取直，工作面寬度取初采區域平均值。區段煤柱寬度多為4～6m，局部7～10m，總體均可視為屈服煤柱，不影響采空區間覆巖的聯動，在計算時均采用5 m。各巖層參數及關鍵層判斷依據參考文獻，主關鍵層下部分布3層亞關鍵層。利用式（2）計算各關鍵層步距準數，由下至上各關鍵層步距準數分別為

58.6m、108.7m、152.7m、302.3m。

為判別1410工作面回采期間頂板是否見方垮落，需從該采區的首采工作面開始，依次計算各工作面回采后關鍵層是否破斷，并得出初次斷裂步距。各關鍵層初次破斷時邊界條件為四邊固支，之后破斷均為三邊固支、一邊簡支，因此，計算時主要利用式（1）及式（3），計算結果見表1。

可見，1410工作面開采過程中，上覆關鍵層均發生了破斷，各亞關鍵層由下至上初次斷裂步距依次59m、136m、157m。主關鍵層在破斷前為不規則懸露（1410、1409、2408 西組成刀把形），顯然無法形成見方垮落。

由于第2亞關鍵層的斷裂步距為136m，與工作面寬度128m 基本一致，因此，可視之為第2亞關鍵層的單工作面見方垮落。現場監測亦表明，1410工作面推進130.7 m 時，發生了震級2.0 級的沖擊地壓，破壞巷道170m。在工作面推進157 m 時，雖然發生了雙工作面（1410、1409）采空區上部第3亞關鍵層的協同運動，但其初次斷裂步距與雙工作面寬度差異較大，因此，該工作面將不會發生雙工作面見方垮落。

1410工作面后期回采過程中，部分沖擊地壓也發生在采空區尺寸滿足多工作面見方期間，但基于本文研究認為，該現象可能是某個或多個關鍵層的周期性垮落所致，只不過在位置上剛好與見方區域重疊而已。